Акустический измеритель скорости течения Советский патент 1983 года по МПК G01P5/08 

(54) АКУСТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОГОСТИ

,.

Изобретение относится к технике измерения скорости текучих сред и быть использовано для измерения скорости течения в океане, в том числе, для прямых измерений вертикальной скорости при проведении океанографических исследований.

Известен ультразвуковой датчик скорости течения, который содержит два передатчика, два приемника, генератор ультразвуковых сигналов, два усилителя, два детектора и измеритель интерваловвремени {1.

Недостатком устройства является небольшая ТОЧНОСТЬ измерения скорости течения.

Известен также акустический измеритель скорости течения, который содержит первый акустический преобразователь, выход которого соединен через первый приемник с первьпи входом второй схемы И, а через первый передатчик - с выходом первой схемы ИЛИ, с входом первого счетчика и с С-входОм первого О-триггера, выход которого подключен к второму входу третьей схемы И, первь1м вход которой соединен с вторым входом четвертой ТЕЧЕНИЯ

.схемы И,с выходом генератора опорной частоты, а выход - с входом второго счепика, второй акустический преобразователь, выход кото{юго подключен через второй приемник к второму входу первой схемы И, а через второй передатчик - с выходом второй схемы ИЛИ и с Сг-входом второго D-триггера, выход которого соединен с первым входом четвертой схемы И, выход которой подключен к

JQ входу Tpetbero счетчика , при этом выход первой схемы И соединен с вторым входом . первой схемы ИЛИ, первый вход которюй подключен к входу элемента задержки, выход которого соединен с вторым взводом второй .

f схемы ИЛИ, первый вход которой подключен к выходу второй схемы И 2. .;

В схеме измерителя осуществляется строго определенное число циклов встречного иэлучения акуспсческих сигналов, причем в первом цикле излучение акустического сигнала вторым преобразователем отосительно первого преобразователя производатся с задержкой 1, равной половине времени прохождения акустичес399КИМ сигналом измерительной базы длиной L, т. е. TO L/ 2 С, где С - скорость звука. При последующих циклах разница по времени между моментами излучения сигналов первы и вторым акустическими преобразователями убудет уменьшаться на величину где V скорость течения ,С - скорость звук Во избежание одновременного срабатывания приемника и передатчика, соединенных с одним из акустических преобразователей, число цикло п встречного излучения ограничено следующим соотношением (при С V mc( Это предельное число циклов определяет для заданногодиапазона измеряемых скоростей течения чувствительность измерителя или цену единицы его наименьшего разряда. Недостатком известного акустического измерителя является то , что его чувствительность является фиксированной заранее и не зависит От фактической измеряемой скорости течения. Это приводит к тому, что при малых скоростях течения данные измерений ока зываются загрубленными. , Целью изобретения является повь1шение чувствительности при измерении малых скоростей течения. Поставленная цель достигается тем, что в акустический измеритель введены трехвходова схема ИЛИ, RS-триггер и два временных селектора, входы которых соединены с выходами RS-триггера, а выходы - соответственно с вторым и третьим входами третьей схемы ИЛ первый вход которой подключен к выходу первого счетчика, а выход к О-входу первого . D-триггера, выход которого соединен с первым входом первой схемы И и с D-BXOдом второго О-триггера, выход которого под ключен к второму входу второй схемы И, причем выход первой схемы ИЛИ соединен с S-входом, а выход второй схемы ИЛИ - с R-входом RS-триггера. На фиг. 1 показана схема предлагаемого акустического измерителя скорости течения; на фиг. 2 временная диаграмма импульсов .в отдельных точках схеМЫ. Акустический измеритель содержит два ус новленных на измерительной базе акустически преобразователя 1 и 2. С первым преобразов телем 1 соединены вход первого приемника Представляющего собой усилитель - формирователь сигналов, и выход первого передатчика 4, котррый представляет собой генератор коротких импульсов, срабатывающий при поступлении на его вход запускающего сигнала. С вторым преобразователем 2 соответственно соединены вход второго приемника 5 и выход второго передатчика 6, аналогичных указанным. Схема измерителя содержит также первую и вторую схемы ИЛИ 7 и 8, первую и. вторую схемы И 9 и 10, элемент 11 задержки, первый и второй D-триггеры 12 и 13, первый счетчик 14, выход которого совместно с выходами первого и второго временных селекторов 15 и 16 подключены к входам третьей схемы ИЛИ 17, а входы временных селекторов 15 и 16 подключены к раздельным выходам RS-триггера 18. Выход первого D-триггера 12 через первый вход третьей схемы И 19 подключен к входу второго счетчика 20, а выход второго D-триггера 13 через первый вход четвертой схемы И 21 соединен с входом третьего счетчика 22, причем вторые входы схемы. И 19 и 21 совместно подключены к генератору 23 опорной частоты. Измеритель имеет запускающий вход а, его три цифровых выхода подключены к первому, второму и третьему счетчикам, 14, 20 и 22 соответственно. Акустический измеритель скорости течения работает следующим образом. В начальный момент времени на запускаЮ1одй вход а поступает импульсный сигаал, который через схему ИЛИ 7 запускает передатчик 4, формирующий импульс возбуждения акустического преобразователя 1. Одновременно от импульсного сигнала, запускающего вход а, срабатывает элемент 11 задержки, которьга через интервал времени TQ формирует импульс, запускающий через схему ИЛИ 8 передатчик 6 и формирующий импульс, излучаемый акустическим преобразователем 2. Сформированные акустические сигналы от преобразователей 1 и 2 распространяются со сдвигом по времени TQ навстречу друг другу, причем один из них движется по течению а второй - против течения. Когда акустические сигналы достигают преобразователей 1 и 2, они преобразуются в электрические импульсы, усиливаются, формируются приемниками 3, 5 и подаются на первые входы второй и первой схем И 10 и 9 соответственно. На вторые входы этих логических схем И поступают сигналы с выходов Р-триггеров 13 и 12 соответственно, причем полярность этих сигналов такова, что сигналы с выходов приемников 3 и 5 проходят через логические схемы И 10 и 9, логические схемы ИЛИ 8 и 7, поступают на входы передатчиков 6 и 4, формирующих сигналы возбуждения акустических преобразователей 2 и 1 соответственно. Этот цикл повторяется. Импульсные сигналы, поступающие на входы передатчиков 4 и 6 (г и в на фиг. 2) подаются также на С-входы Первого и второго D-триггеров 12 и 13, счетный вход счетчика 14 и раздельные RS-входы триггеру 18. При этом первый имцульс, совпадающий по времени с импульсом запуска, переводит D-триггер 12 в состояние, разрешающее прохождение импульсов через схемы И 9 и 19, импульс, совпадающий по времени с выходными импульсом элемента И задержки, переводит D-трштер 13 в состояние, разрешающее прохождение импульсов через схемы И 10 и 21. Это приводит к тому, что в моменты излучения акустических импульсов преобразователями 1 и 2 начинает поступать частота опорного генератора 23 через логические схемы И 19 и 21 на входы второго и третьего счетчиков 20 и 22, а также обеспечивается возможность многократного повторения циклов излучения и приема акустических сигналов за счет разрешения прохождения через схемы и 10 и 9 импульсов с выходов приемников 3 и 5 к входам передатчиков 6 и 4 соответственно. Импульсный сигнал с входа передатчика 4 заполняет первый счетчик 14 до половины его емкости, после чего триггер последнего разряда изменяет свое состояние, что пpивoди к тому, что на О-входе О-триггера 12 изменяется полярность сигнала, что при поступлении импульса на С-вхрд приводит к опрокидьтанию триггера и формированию потенциалов запрета прохождения частоты опорного генератора 23 на вход счетчика 20 и сигналов с выхода приемника 5 на вход генератора 4. С выхода первого D-триггера 12 сигнал поступает на О-вход второго D-триггера 13 и переводит его в состояние, при котором первый же импульс .с выхода приемника 6 опрокщц 1вает триггер и тем самым останавливает счет импульсов опорной частоты в третьем счетчике 22 и прохождение импульсов с выхода приемника 3 к передатчику 6. При этом цикл встречного излучения акустических сигналов прерывается, а в сче.тчиках 20 и 22 фиксируются коды, пропорциональные времени п циклов прохождения акустических сигналов во встречных направлениях, причем п равно половине емкости первого счетчика 14. Вторая цепь остановки счета и прерывания излучения акустических сигналов работает от импульсов виг (фиг. 2), снимаемых с вход передатчиков 4 и 6. Эти импульсы, поступая на раздельные входы триггера 18, формируют на его выходах последовательности прямоугольных импульсов, ширина которых изменяется за каждый цикл встречного излучения из-за того, что при скорости течения V, скорости звука С и длине измерительной базы L время прохождения акустического сигнала по течению будет меньше времени прохождения акустического сигнала против течения на величину ДТ 2 L ) Поэтому, в зависимости от направления течения, ра одном из выходов Д или л триггера 18 ширина положительных импульсов будет уменьшаться с каждым циклом на указанную величину, а при достижении некоторого заданного минимального значения сработает один из двух временных селекторов 15 или 16, настроенных на этот минимальный интервал. Через cxeMj: ИЛИ 17 сигнал срабатывания одного из временных селекторов 15 или 16 поступает на D-вход первого О-триггера 12, что при поступлении первого же импульса иа его С-вход приводит к опрокидыванию триг.гера и в-дальнейшем к остановке счета в счетчиках 20 и 22, а также к прерыванию циклов встречного излучения акустических сигналов в рассмотренной выше последователь ности аналогично случаю заполнения половины первого счетчика 14. Полученные двоичные коды на первом, втором и третьем счетчиках 14, 20 и 22 поступают на регистрацию и обработку. Двоичные коды N и N н. сформированные а счетчиках 20 и 22, равны N. 1 1 . де n - код, записанный в счетчике 14; f о - частота генератора опорной частоты 23. При заданном времени Т jv срабатывания ременных селекторов 15 и 16 код п опредеяется из следующего соотношения: Т, пДГ Величины скорости течения и скорости взтса определяются через полученные значения одов N/I, N2- п следующими выражениями / М- pJ о /1 4 ,., W,r 2 Щ Используя соотношения (5) и (6). определяется чувствительность измерителе или цена единицы его наименьшего разряда при уело- . ВИИ . f / м Как видно , цена единицы наименьшего разряда измерителя пропорцинальна измеряемой скоросга течения. Это означает, что при измерении больших скоростей происходит автоматическое загрубление чувствительности а .при малых скоростях течения чувствительность автоматически увеличивается таким образом, что отношение / V сохраняется постоянным. Применительно к измерению океанических течений это открывает возможность прямых измерений вертикальных составляющих скорости в глубинны слоях. Формула изобретения Акустический измеритель скорости течения содержащий первый акустический преобразователь, выход которого соединен через первый приемник с первым вхЬдом второй «схемы И, а через первый передатчик с выходом первой схемы ИЛИ, с входом первого счетчика не С-входом первого Г)-трИггера, выход которого подключен к второму входу Чретьей схемы И, первый вход которой соединен с вторым входом четвертой схемы И и с выходом генератора опорной частотьП а выход - с входом второго счетчика, второй акустический преобразователь, выход которого подключей через второй приемник к второму входу первой схемы И, а через второй передатчик к выходу второй схемы ИЛИ и С-входу втор го D-триггера, выход которого соединен с пер вым входом четвертой схемы И, выход которой подключен к входу третьего счетчика, при этом выход первой схемы И соединен с вторым входом первой схемь ИЛИ, первый вход которой подключен к входу элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ, первый вход которой Подключен к выходу второй схемы И, отличающийся тем, что, с целью повыщения чувствительности при измерении малых скоростей течения, в него введены трехвходовая схема ИЛИ, RS-триггер и два временных селектора, входы которых соединены с выходами RS-триггера, а выходы - соответственно с вторым и третьим входами трехвходовой ИЛИ, первый вход которой подключен к выходу первого счетчика, а выход - к D-входу первого О-триггера, выход которого соединен с первым входом первой рхемы И и с D-входом второго D-триггера, выход которого подключен к второму входу второй схемы И, причем выход первой схемы ИЛИ соеданен с S входом, а выход второй схемы ИЛИ - с R-входом RS-триггера. Источники информа{Ц1и принятые во внимание при экспертизе 1. Агейкин Д. И. Датчики контроля и регулирования. М., Машиностроение, 1965, с. 747. - . 2.Авторское свидетельство СССР N 690392, кл.С 01 Р 5/08, 1977 (прототип).

3 i/

IIIIIHIIIIIIII

ф1/г-г